水凝膠是由物理或化學交聯(lián)的水溶脹性聚合物網(wǎng)絡合成的軟材料。由于其出色的生物相容性/生物降解性，與天然組織和器官相似的機械性能以及對環(huán)境的響應能力，水凝膠已被廣泛用于生物醫(yī)學應用，包括藥物輸送、生物傳感器、組織工程和再生醫(yī)學的合成細胞外基質(zhì)（ECM）。最近，許多生物分子，包括蛋白質(zhì)、肽、DNA和RNA被用作合成水凝膠的結構單元。蛋白質(zhì)水凝膠因其可設計和可調(diào)節(jié)的生化及機械特性而倍受關注。南京大學的曹毅團隊在?ACS Macro Lett.上發(fā)表了“100th Anniversary of Macromolecular Science Viewpoint: Synthetic Protein Hydrogels”，以高分子科學的觀點綜述了合成蛋白水凝膠的最新進展。
1.?從天然蛋白質(zhì)到合成蛋白質(zhì)/肽
天然蛋白質(zhì)可從自然界獲得，已廣泛用于水凝膠。
例如，基質(zhì)膠是多種結構的混合物蛋白質(zhì)（包括層粘連蛋白、膠原蛋白和蛋白聚糖）；來自單一蛋白成分的其他天然蛋白水凝膠（包括彈性蛋白、膠原蛋白、明膠（部分變性的膠原蛋白）、絲蛋白和球狀蛋白）。除了天然來源，蛋白質(zhì)還可通過重組DNA技術和固相肽合成方法獲得。
蛋白質(zhì)水凝膠可以完全由合成蛋白質(zhì)制成，也可以由蛋白質(zhì)和其他聚合物的混合網(wǎng)絡制成。
蛋白水凝膠的優(yōu)點是合成步驟簡單，網(wǎng)絡結構相對更均一。與化學合成或天然衍生的聚合物相比，重組蛋白通常更昂貴。
全蛋白質(zhì)和雜合蛋白質(zhì)水凝膠都可以是動態(tài)物理凝膠或穩(wěn)定的化學凝膠。在水凝膠網(wǎng)絡中，蛋白質(zhì)既可以充當交聯(lián)劑，也可以充當承重模塊。
2.?蛋白質(zhì)水凝膠的獨特性
與其他聚合物相比，蛋白質(zhì)許多特性使蛋白質(zhì)水凝膠具有多種功能。
蛋白質(zhì)是具有明確定義的序列的聚合物，其分子水平上的化學性質(zhì)（交聯(lián)密度和生物活性配體的數(shù)量）能夠很好被地控制。
其次，蛋白質(zhì)一級序列編碼的獨特二級和三級結構使其有不同的機械性能。此外，自然界為水凝膠提供了豐富的蛋白質(zhì)構件。
它們可以是來源于具有機械特性的結構蛋白，也可以是體內(nèi)無機械功能的蛋白質(zhì)。大多數(shù)蛋白質(zhì)具有生物相容性，適合生物醫(yī)學應用。
3.?蛋白質(zhì)模塊的結構和機械性能
水凝膠的機械性能是調(diào)節(jié)細胞增殖、擴散和分化的重要生理信號。細胞可以感知并響應水凝膠的多種復雜機械性能，包括彈性、韌性、應變軟化/剛度和應力松弛。這些蛋白質(zhì)可以是生物環(huán)境中具有明確機械功能的天然蛋白質(zhì)，也可以是不具有機械功能的蛋白質(zhì)（圖1）。
彈性蛋白和節(jié)肢彈性蛋白是隨機線圈結構，并在體內(nèi)起熵彈簧的作用。
它們與組織的彈性和可延展性相關，這些蛋白質(zhì)可以使用重組DNA技術合成。
這些蛋白質(zhì)的拉伸和松弛曲線是可逆的，無滯后現(xiàn)象。
彈性蛋白通常是高度水溶性的，化學交聯(lián)可形成水凝膠。彈性蛋白的可溶性及溶解度取決于它們的序列。
許多天然彈性蛋白是纖維狀的，但纖維狀結構的合成蛋白非常有限。與內(nèi)在無序的蛋白質(zhì)和纖維狀蛋白質(zhì)相比，球狀蛋白質(zhì)在性質(zhì)上更為豐富，是天然細胞外基質(zhì)的主要成分。
它們可以通過機械力展開，從而為材料提供可擴展性和韌性。
將不同的球狀蛋白結合起來可設計機械性能（包括彈性，韌性，可延展性和自愈性能）可調(diào)控的蛋白水凝膠。通過調(diào)節(jié)交聯(lián)劑和承載模塊的機械性能可半定量預測工程化水凝膠的機械性能。
4.化學交聯(lián)方法：
在水凝膠中，永久性共價交聯(lián)提供水凝膠所需的機械剛性，而物理交聯(lián)提供水凝膠的動態(tài)和響應特性（圖2A）。
理想的交聯(lián)方法是專一、快速、高產(chǎn)率的。通常這些交聯(lián)方法基于蛋白質(zhì)酪氨酸、半胱氨酸和賴氨酸（圖2B）。
交聯(lián)方法包括光催化、酶催化、被氧化形成二硫鍵、巰基Michael加成與缺電子碳-碳雙鍵或自由基巰基烯與缺電子碳-碳雙鍵的反應。
這些反應并被用于設計蛋白質(zhì)-聚合物雜化水凝膠。水凝膠也可以利用許多酶催化反應進行工程設計（圖2C）。
通常使用的連接酶包括sortase、裂腸肽、丁烯醛、磷酸泛乙烯基轉移酶和天冬酰胺基內(nèi)肽酶。
它們可以連接特定的肽序列或肽配體形成共價鍵。這些酶促反應具有特異性和正交性。
當不同的酶被結合時，它們可用于復雜結構的水凝膠工程。
酶的濃度和活性可控制凝膠動力學，為控制凝膠動力學提供途徑。
其他一些能夠改變蛋白質(zhì)疏水性或構象的酶也可以用來啟動蛋白質(zhì)水凝膠的凝膠化，如基因編碼的點擊化學（圖2D）。
5.物理交聯(lián)方法：
水凝膠也可以基于蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)或蛋白質(zhì)-配體相互作用進行物理交聯(lián)。據(jù)估計，在人類相互作用體中存在～650?000蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用。
然而，可用于交聯(lián)蛋白質(zhì)水凝膠的相互作用對應滿足以下要求：
- 1，交互對不應該太大，否則它們可能會影響在細菌中的溶解度和表達；
- 2，應具有較強的親和力；
- 3，綁定/解除綁定動力學也很重要。
水凝膠應具有良好的自愈性和注入性。然而，如果相互作用過于動態(tài)，水凝膠往往是不穩(wěn)定。
6.刺激響應性：
許多蛋白質(zhì)在體內(nèi)負責信號轉導和能量轉換，這些功能往往是通過蛋白質(zhì)的動態(tài)構象變化來實現(xiàn)的。
這種獨特的特性可以直接實現(xiàn)到蛋白質(zhì)水凝膠中，以獲得刺激響應性。蛋白質(zhì)水凝膠可以通過配體結合誘導蛋白質(zhì)構象變化來響應不同的化學物質(zhì)。蛋白質(zhì)水凝膠可以通過化學變性劑和熱誘導的蛋白質(zhì)折疊/展開來響應外界刺激，但化學變性劑會破壞蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性，甚至導致蛋白質(zhì)的去折疊，大大降低水凝膠的機械強度；溫度也有導致蛋白質(zhì)的不可逆熱變性和聚集的缺點，盡管設計得當時可用于生產(chǎn)強韌蛋白質(zhì)水凝膠。
pH和鹽離子響應性水凝膠也可以基于肽和蛋白質(zhì)的折疊/展開進行工程設計。
光響應蛋白質(zhì)水凝膠具有特殊的意義，它們可以無創(chuàng)、可逆地控制溶膠-凝膠轉變并在時空尺度上調(diào)節(jié)機械性能，許多光響應蛋白已被設計成響應水凝膠（圖4）。
光響應蛋白水凝膠可以通過三種不同方法工程化：
- （1）光誘導蛋白質(zhì)低聚物的離解/締合；
- （2）蛋白質(zhì)的光解；
- （3）蛋白質(zhì)的構象變化。
其他響應性水凝膠也被廣泛研究。如酶反應水凝膠可用于藥物控制釋放和細胞培養(yǎng)。
7.網(wǎng)絡結構：
水凝膠的穩(wěn)定性和力學性能與其網(wǎng)絡結構直接相關，水凝膠網(wǎng)絡決定外力如何傳遞到單個蛋白質(zhì)。
盡管大多數(shù)合成蛋白質(zhì)是線性聚合物，但仍有很大空間改變網(wǎng)絡結構（圖5）。
蛋白質(zhì)及蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)復合物的機械穩(wěn)定性在很大程度上取決于拉力的方向。
蛋白質(zhì)水凝膠中的蛋白質(zhì)通常從其兩端承受拉伸力，但一些交聯(lián)方法隨機合成的水凝膠網(wǎng)絡拉伸方向不明確。
利用蛋白質(zhì)工程技術可以明確蛋白質(zhì)上的力方向，這對于物理交聯(lián)水凝膠尤為重要。
引入多臂交聯(lián)劑可以構建具有理想網(wǎng)絡結構的蛋白質(zhì)水凝膠。具有新拓撲結構的蛋白質(zhì)水凝膠的網(wǎng)絡由于精確的序列接近理想的網(wǎng)絡拓撲結構。
因此，多臂蛋白水凝膠的缺陷更小，力學穩(wěn)定性更強。
8.生物醫(yī)學應用：
蛋白質(zhì)水凝膠的許多特性使其成為生物醫(yī)學應用的理想軟材料。
首先，它們可以使用細胞外基質(zhì)的蛋白質(zhì)構建為基礎，因而具有細胞相容性高，適用于多種細胞培養(yǎng)和體內(nèi)應用。
水凝膠物理/化學性質(zhì)對其他生物應用也很重要。
例如，在三維細胞培養(yǎng)時，溶膠-凝膠轉變速度應非常快，以避免細胞在包裹過程中沉淀；蛋白質(zhì)水凝膠的力學性質(zhì)可以作為一種控制細胞自我更新、增殖、遷移和干細胞分化的新手段；當使用合成蛋白質(zhì)水凝膠進行蛋白質(zhì)和細胞傳遞時，剪切稀釋和自愈性能對治療藥物的注射性是必不可少的。
【結論和展望】
盡管合成蛋白水凝膠在軟生物材料領域中已經(jīng)取得了很大的進步，但其工程設計仍然存在許多挑戰(zhàn)。
首先，合成蛋白的穩(wěn)定性和產(chǎn)量難以提高合，成本降低困難。
其次，仍然很難用排列良好的纖維來復制自然組織的各向異性結構。
第三，需要系統(tǒng)研究來合理設計蛋白質(zhì)水凝膠的機械性能。
第四，一旦將細胞培養(yǎng)在蛋白質(zhì)水凝膠中，集成的系統(tǒng)便具有協(xié)同的機械性能。
此外，細胞培養(yǎng)過程中的動態(tài)響應會改變蛋白質(zhì)水凝膠機械性能。
最后，盡管大多數(shù)蛋白質(zhì)直接來自天然人類蛋白質(zhì)，但其生物相容性應進一步被研究。
基于蛋白質(zhì)水凝膠的獨特特征和該研究領域的迅速擴展，作者認為蛋白質(zhì)水凝膠在未來有更廣泛的生物醫(yī)學應用。
一些成熟的蛋白質(zhì)水凝膠可以作為實驗室細胞培養(yǎng)的標準材料，甚至可以作為醫(yī)學和臨床應用的新型生物材料進行商業(yè)化。
